硬度所表現的局部變形代表了物體抵抗彈性變形、塑性變形和破壞的能力，是一個綜合性能指標。硬度不像強度、塑性是個單純的力學量，而是代表材料的彈性、塑性、強度、韌性以及應力狀態等多種因素影響的綜合反映值。一般認為，對硬度起主要作用的是材料的金相組織。而材料表面硬度較高的，其耐磨性能較好，因此活塞環硬度是一項重要指標�！　�測定活塞環硬度的常用測量法有：布氏法、洛氏法和維氏法。對活塞環表面薄膜的測量手段有顯微硬度、超顯微硬度和納米壓入技術，其中運用較廣的是顯微硬度�！　�

根據鑄鐵活塞環的技術條件要求，測定鑄鐵活塞環硬度常選用洛氏（HRB及HRC）和布氏硬度試驗法。維氏硬度（HV）試驗可測量較薄材料，亦可測量滲氮、鍍鉻、噴鉬等的表面硬度�！　∮捎诨钊�環表面處理技術的迅猛發展，如復合分散鍍、熱噴涂、PVD、CVD、PCVD等，鋼質材料的滲硫，深冷處理等，均要求對活塞環表面涂層（膜）進行硬度測量。目前表面處理的陶瓷薄膜及其它薄膜厚度常為3~8μm。應當指出，雖用顯微硬度方法等測得的硬度值是膜、界面、基體硬度的綜合反映，但此值仍是活塞環耐磨性能的一項重要指標。
1 環硬度試樣的制備及硬度測定部位
1.1 鑄鐵活塞環硬度試樣
    鑄鐵活塞環毛坯的硬度試樣應具有代表性，一般每一包鐵水取樣，應是該包鐵水所澆注到最后一疊鑄型的第二或第三箱中的一片，且外觀合格環坯作硬度試樣。當然，試樣有無代表性，還應針對自己企業的具體鑄造情況，經驗證后才能決定取哪一疊的第幾箱的外觀合格環坯作硬度試樣�！　¤T鐵環硬度試樣的制備，可直接取自成品或毛坯，對后者則應將毛坯加工到成品高度（應注意使兩個測面加工余量相等），其表面粗糙度與成品相同。對時效處理前后的硬度試樣，可以采用同一片環樣�！　¤T鐵環試樣不論是毛坯還是半成品或成品，測定硬度每片環測三處，一處離開口處（活塞環行業稱之為0°或開口處）約5~7mm，小環取下限，大環取上限，一處為中點（亦稱90°），一處為開口對方（亦稱180°處）；油環應在相應的實體部位測量�！　�
1.2 鍍鉻、氮化、噴鉬等表面處理活塞環硬度試樣
    試樣表面應平坦光滑，試驗面上應無氧化皮、油脂及外來污物，其表面質量應能保證壓痕對角線長度的精確測量，一般維氏硬度試樣表面粗糙度要求在Ra0.4μm以下；小負荷維氏硬度試樣表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下；顯微維氏硬度試樣表面粗糙度要求為Ra0.1μm。鍍鉻、氮化等表面處理活塞環成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下�！　�
1.3 陶瓷薄膜（小于10μm）等活塞環硬度試樣
    此項暫無標準規定，一般要求試樣具有代表性，要求試樣表面粗糙度控制在Ra0.1μm，至少應在Ra0.2μm。測定部位宜采用30°、90°、180°三處，測定硬度值并計算硬度差�！　�
2 活塞環的硬度值　　
    HRB、HRC硬度按GB230的規定進行測定，薄膜硬度測試按GB4342-84規定進行，JB/T8865-1966可供參照。
2.1 鑄鐵活塞環的硬度值
    鑄鐵活塞環適合機加工硬度為100~105HRB，過低的硬度其抗磨能力差，有時也不適宜加工；硬度過高非但加工困難，有時還會引起拉缸。生產實踐表明，環的硬度控制在100~105HRB之間。一般環有良好的機械性能，為此生產活塞環（低合金灰鑄鐵材料）應使其硬度控制在這一范圍內�！　�GB1149-82中規定了活塞環的硬度范圍：環直徑小于或等于150mm時為98~108HRB；當環的材質為鎢合金鑄鐵時為96~106HRB；環直徑D大于150mm時為94~105HRB。GB1149-82又規定同一片環硬度差不大于3個HRB單位。同一片環的各部分材質盡可能一致，其各部分的硬度差就小。由于筒體環澆注后，鐵水冷卻速度慢而且均勻，所以筒體環比單體環同環硬度差要小，一般都小于2個HRB單位�！　�內燃機活塞環國際標準ISO6621/5和國家標準GB/T1149.4-94規定最低硬度：不經熱處理的灰鑄鐵環分別為93HRB與95HRB；熱處理的灰鑄鐵環分別為23HRC、28HRC、32HRC、37HRC與40HRC；碳化物鑄鐵環分別為25HRC與30HRC；可鍛鑄鐵環分別為95HRB、22HRC、27HRC與30HRC；球鐵環分別為23HRC、28HRC、95HRB與97HRB；柯茨公司經調質處理的KVI球鐵環為104~112HRB，產品硬度實際為108HRB左右（此為KVI的最佳硬度）。鋼環分別為38HRC、40HRC與48HRC（一般鋼質活塞環硬度控制在38~44HRC）�！　�
2.2 鍍鉻、氮化、噴鉬等表面硬化處理環的硬度值　　
    為了提高活塞環的耐磨性和使命壽命，須經過鍍鉻、氮化或其它表面硬化處理，以提高其表面硬度，一般其維氏硬度可達到800HV0.2以上，硬度過低則影響其抗磨能力。生產實踐表明，環的表面硬度控制在800~1200HV0.2為宜。如片面強調鍍鉻層HV硬度值，可能導致鍍層內應力過高，脆性過大，使鍍鉻層與基體結合力下降，造成磨損惡化。關于氮化HV硬度值，近期報導日本鋼質環可以形成150HV的表面氮化層，具有良好的耐磨和抗熔著磨損性能。目前國內一般氮化硬度控制在850~1200HV范圍內，噴鉬硬度控制在800~1050HV范圍內。對薄膜硬度測量值由于這是新事物，只有定性的評價，而無定量的評價。建議對小于10μm膜厚的表面處理區分薄膜種類、不同基體、不同過渡層作出分別的規定。本文只能提供參考值，有待進一步實踐、探索和總結，并與同行共同加以探討�！　�
    TiN金屬陶瓷環無氮化過渡層顯微硬度大于1000HV，有氮化過渡層的屢微硬度大于1200HV；
    PCVD之BN-SiN薄膜無氮化或鍍鉻過渡層的顯微硬度大于700HV，有氮化或鍍鉻過渡層的顯微硬度大于950HV；　　Ni-P復合分散鍍，顯微硬度800~1100HV以上，如CPN-200系（Ni-Co-P）―Si3N4活塞環復歙 發散鍍顯微硬度測定值在100HV以上；
    NiKaSiL系（Ni-P）-SiC活塞環復合分散鍍顯微硬度測定值在1000~1350HV范圍內；　　
等離子硬化顯微硬度800~950HV；　　
激光處理顯微硬度800~1150HV；　　
    經滲硫處理表面硬度基本不變；　　
經深冷處理表面硬度比未處理前約升高2個HRC單位。3 影響活塞環硬度方面的因素　　
影響鑄鐵活塞環硬度主要因素是村質的化學成分和金相組織兩個方面，其中化學成分本身對硬度起作用外，還通過化學成分影響金相組織對硬度起作用�！　�
金相組織對硬度的影響。 
灰鑄鐵環為：基體組織、石墨形態分布、石墨大小及數量、共晶團大小、磷共晶及其復合物數量。其中基體組織為：珠光體粗細程度，珠光體數量，鐵素體形態及其含量，針狀組織分布及其含量、針狀組織轉化、珠光體�；�程度、游離滲碳體和萊氏體組織形態、分布及含量�！　』诣T鐵環的硬度首先取決于環的基體組織，按GB2805-81中的第六類別圖，從圖號3、1、2、4、5中珠光體片間距依次變大，硬度依次下降，圖號3為針狀組織，HRB值為107~112，它常出現于CrMo系合金灰鑄鐵環，大都在環90°處居多，180°處次之，0°處沒有或很少。針狀組織含量多時，石墨大都偏細，化學成分中硅、磷含量較低；碳、鉬、鉻、錳含量較高，金相組織中會出現針狀組織。針狀組織經過熱處理，會形成針狀組織卷曲化。此時硬度就有較大幅度的下降，同環的硬度差由鑄態的大小3~7個單位變為不大于3個單位。針狀組織含量越多，時效處理后90°處硬度下降越大，反之則相反。圖號5為粒狀珠光體，一般由于時效溫度超高，造成珠光體�；�，此時硬度常處于不合格（小于98HRB）或位于98HRB附近，一旦發生珠光體分散，則硬度大幅度下降，通常因時效溫度太高，超過相變溫度，此時硬度為80~94HRB�！　�
在灰鑄鐵活塞環的金相組織中，基體組織、石墨形態分布及大小數量、共晶團大小三者之間有著密切的一定對應關系，一般珠光體粗大，石墨與共晶團也就粗大，硬度就低，反之則相反。往往從石墨形成分布、大小及數量反映硬度的高低比觀察基體情況更為明顯。石墨形態對硬度的影響：E、D、B、A、F，硬度依次（從左到右）下降，并隨著石墨數量的增多，尺寸變大硬度變低，巢狀鐵素體本身對硬度影響不大，由于巢狀鐵素體與不均勻分布的E型、D型石墨伴生，所以出現巢狀鐵素體的灰鐵環硬度都較高�！　�
隨著磷共晶數量的增加，環硬度稍有升高，當出現磷共晶復合物時，環的硬度會有一定程度的升高。例如含硼碳化物與磷共晶復合物所在的硼鑄鐵環，它比具有同樣石墨，相近基體的低合金環的硬度要高出0.5~1.5個HRB單位值�！　�
十分明顯，金相組織中出現游離滲碳體和萊氏體，環的硬度變高（反白口除外），往往超出108HRB，造成硬度報廢�！　�
球鐵環硬度基本上不受球墨的密度和大小的影響，鑄態球鐵環硬度主要影響因素是鐵素體含量，其次是珠光體粗細程度，一般鑄態球鐵環為達到最低硬度（98~100HRB），相應的鐵素體不能超一定的含量（此值對生產廠由于鑄造條件不同會有所不同，約為15%~20%。此可供參考，如加入適量Sb可控制在小于15%）�！　〗洘崽幚淼那蜩F環，其硬度主要取決于基體情況，經正火處理的環，硬度的主要影響因素為：鐵素體含量、珠光體粗細程度、索氏體含量。隨著鐵素體量的減少，基體組織的致密細化，硬度有所升高。經調質處理的球鐵環，其正常金相組織為：回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、殘余奧氏體，此時的球鐵環硬度隨回火馬氏體含量的增加，回火索氏體含量的減少，硬度值增大，反之則相反。在熱處理工藝上，球鐵環硬度受回火溫度的控制，回火溫度高，硬度就低，反之，回火溫度低則硬度就高�！　�
所有球鐵環，隨碳化物含量的增多，硬度也有所增高，其中碳化物塊度越細小彌散分布，對硬度的影響越小�！　∩�產實踐表明，通過熱處理改變環的基體組織，可以使環的硬度均勻化（如灰鑄鐵環的時效處理），或大大改變環的硬度（如正火、調質處理）�！　�
一般小于10μm之薄膜硬度測定值受到下列因素影響：一是受過渡層的影響較大。為加強膜基界面結合強度，提高表面硬度測定值，并在磨損過程中給予薄膜強有力的支承，在工藝上采用過渡層，例如活塞環陶瓷薄膜常用氮化、鍍鉻；TiN金屬陶瓷環常用氮化、純Ti層、Ni-W等作過渡層。由于顯微硬度測定值是薄膜、界面、基體硬度的綜合反映，所以有無過渡層、過渡層本身的硬度、彈性模量作為界面和基體一樣直接影響到表面硬度的測定，十分明顯，比基體硬度高的過渡層，將提高表面硬度的測定值；二是薄膜本身硬度、彈性模量、厚度及表面粗糙度影響；三是界面層的強度、彈性模量及膜基界面結合強度；四是試驗手段，如載荷、壓頭形狀等�！　�
上述中對PVD薄膜顯微硬度影響 工藝因素，首先是適當的負偏壓和真空度對膜層組織結構和性能有重要影響。例如Ti2N比TiN有更高的硬度和耐磨性，形成適量Ti2N需要適當的負偏壓和真空度。其次在動態參數控制下沉積的膜層形態表現為層狀分布特征，膜層具有較高的致密性、顯微硬度及良好的耐磨性�！　�
對復合分散鍍表面硬度影響工藝因素與基質、分散粒子及其加入量、熱處理有關。例如硬度值高的SiC（2500HV）就容易得到較高的表面硬度值；N-P復合鍍經400℃熱處理就得到較高的鍍層硬度�！　�應指出對小于10μm的薄膜表面處理層，不能單用顯微硬度來表示耐磨性能，因為薄膜的組成、結構、性能不同，特別對其中具有自潤滑性能的，它不一定具有高的顯微硬度，但有良好的耐磨減磨性能。對表面硬度而言，它仍有一個適合的范圍，這一適合的范圍正是我們要探求的。
測定環硬度操作應注意事項
1 試樣（特別是毛坯）應加工到成品高度及應有的表面粗糙度�！　�
對鑄鐵環一般小環（環直徑小于70）的毛坯環高常為3mm，而成品高為≤1.5mm，部分工廠常對試樣高度磨至大于1.5mm，有時達2mm多，這樣使測出的硬度值往往高出0.5~1個單位。環樣表面不能有粗車刀紋，其表面粗糙度應為Ra0.8μm，否則，測試結果會不準確�！　�
一般對鋼質環維氏硬度試樣表面粗糙度要求Ra0.4μm以下；鋼質環成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下。
2 被測活塞環試樣的基準面（環樣的下側面）在工作臺上要穩實放置并保證試驗中試樣不產生位移，為此環樣不能撓曲或部分架空，基準面不能有毛刺，此面與工作臺面應清潔且無其它污物（氧化皮、油脂、灰塵等）。
3 使壓頭與試樣表面接觸，垂直于試驗面施加試驗力，加力過程中不應有沖擊和振動，直至將試驗力施加至規定值。洛氏硬度壓力類型、所加載荷及經常測量活塞環的范圍參見表1�！�
說明：由于鑄鐵活塞環廣泛使用HRB測定，其實際測定范圍已超出其常規測量的25~100范圍�！　�測定維氏硬度時必須在要求的試驗力范圍內施加規定的試驗力，其試驗力從5~100kgf（約50~1000N）范圍內變化，應根據要求進行選擇。對氮化鋼質活塞環，由于滲氮層很薄，通常用維氏硬度計（HV）進行測量時，選擇試驗力應根據滲氮層深度進行選擇。
　 經過表面處理的鋼質活塞環，毛坯一般選用維氏硬度5kgf（49.03N）試驗力；成品鋼質環選用小負荷維氏硬度0.2kgf（1.961N）試驗力。測量薄膜一般加載用HV0.1、HV1.0、HV0.050三種之一.
測試維氏硬度時，從加試驗力開始至全部試驗力施加完畢時間應在2~10s之間。對于小負荷維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗，壓實下降速度應不大于0.2mm/s，試驗力保持為10~15s。對于特殊材料，試驗力保持時間可以延長，但誤差在±2s之內�！　�
4 整體鑄鐵油環不宜測定硬度值，因為油槽油孔的結構，導致不能準確測出硬度值。對于環高低于1.5mm的鑄鐵環，測量硬度的工作臺面中心不能有凹坑，如有凹坑則測量時應添加一定剛度的墊片，將環樣放置在墊片上測試（墊片應有較好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下），否則測定的硬度值會偏低，可能低1~2個HRB單位，甚至環被壓斷�！　�
5 布氏硬度超過350HB時，鋼球的硬質合金球測得的結果，可能有明顯不同，因此測定位于350~450HB的布氏硬度應注明所用壓頭；　　
6 在整個試驗期間，硬度計應避免受到沖擊和振動。硬度計在受震狀態，指針震動時不能測量硬度值；　

7 拆洗硬度計或在維護硬度計加油后，應讓硬度計運轉多次后并經二級標準硬度試塊測定，測得標塊硬度值在±1個硬度單位范圍內才可正式測量。一般每天上班測的第一點硬度值不能正式計數；更換壓頭（例如換鋼珠）測試的前三點不能正式計數，往后測得的測定值才正式計數�！　�
8 應定期（視壓頭的鋼球或金剛石圓錐體的質量來定時間的長短），用二級標準硬度試塊測試，如超出標塊硬度值±1個硬度單位時，應調整或清洗硬度計�！　�
9 選用的二級標準硬度試塊的硬度值應盡量接近試樣測定值，例如灰鑄鐵活塞環硬度值為98~108HRB，因為一般標塊硬度小于100HRB，所以要選用90~95HRB硬度盡量高的標塊（購買時應予注意；硬度大于100HRB的標塊常常是假冒偽劣產品）�！　�
10 壓痕（指測試點）之間，壓痕與工件邊緣之間距離宜大于3mm。由于活塞環尺寸小，在徑向厚度小于6mm時，測定點到環的內外圓無法保證大于3mm，此時測試點也應保證壓痕之間，壓痕與環開口端的距離不小于3mm�！　�
11 加初載荷時，轉速宜均勻，指針力求一次到位，如不到位也應控制在三小格之內；卸載荷速度不宜過快，轉速要均勻，如卸載荷速度太快，硬度測定值可能會偏高0.5~1個HRB單位�！　�
12 當鋼球（Φ1.588）質量不好時，會發生下列現象：一是鋼球變形（變扁）；二是鋼球接觸環的測量面磨損較快，導致該接觸面部分表面發暗無光澤。上述兩種情況均使測量值升高，�？蛇_1~3個HRB單位，如有此現象應立即更換鋼球�！　�13 主載荷的加載速度太快或太慢時，可將緩沖器的油針適當的旋入或旋出加以調整�！　�對于質量好的鋼球，在使用一定時間后，宜將鋼球轉位（卸下重裝，使鋼球接觸環的那個部位轉換個位置）